生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研究進(jìn)展

劉作龍，孫培勤，孫紹暉，陳俊武

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

　　摘要：簡單介紹了生物質(zhì)氣化的基本原理及生物質(zhì)氣化爐的分類，闡述了不同類型氣化爐的特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)。

　　介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)在集中供氣、供熱和發(fā)電方面的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，重點(diǎn)介紹了適用于大規(guī)模生物質(zhì)氣化合成液體燃料的氣化爐；指出了生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的問題，提出了我國在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

　　能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求也越來越大。大量的開采和使用化石能源會(huì)污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡，開發(fā)和利用清潔的可再生能源已經(jīng)迫在眉睫，生物質(zhì)是可以轉(zhuǎn)化為液體燃料的環(huán)境友好的可再生能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源。生物質(zhì)氣化技術(shù)是清潔高效利用生物質(zhì)能的有效途徑之一，生物質(zhì)氣化技術(shù)除了可以用于發(fā)電、供氣、供熱等方面外，還可以用于將各種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成為高品位的液體燃料。

　　1生物質(zhì)氣化原理

　　生物質(zhì)氣化是指將固體生物質(zhì)加熱，進(jìn)行不完全燃燒，使生物質(zhì)裂解，變成小分子量的CO、H2、CH4等可燃性氣體，在轉(zhuǎn)換過程中要加入氣化劑(空氣、氧氣或水蒸氣)。由于生物質(zhì)的特殊性質(zhì)，在氣化前還需要經(jīng)過干燥、破碎和切片等預(yù)處理過程。經(jīng)預(yù)處理的生物質(zhì)在氣化爐中，約于600℃下發(fā)生熱解反應(yīng)，生成的氣體中包括解離氣體、氣化的揮發(fā)分、H2、CO、CO2、焦油和水蒸氣。由于生物質(zhì)中的揮發(fā)分含量(70%～80%，干基)遠(yuǎn)高于煤炭(30%)，所以生物質(zhì)氣化的熱解反應(yīng)比煤炭更為重要。揮發(fā)分在氣相中的熱裂化反應(yīng)可降低焦油量，熱解反應(yīng)的副產(chǎn)物是生成不揮發(fā)的焦炭和灰分。在氣化爐中的第二反應(yīng)為焦炭與氧氣、蒸汽反應(yīng)，生成H2、CO、CO2等氣體，未轉(zhuǎn)化的焦炭燃燒為熱解反應(yīng)提供所需的熱量。

　　2生物質(zhì)氣化技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　2．1國外生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)早在18世紀(jì)就已出現(xiàn)，第二次世界大戰(zhàn)期間，為解決石油燃料的短缺，用于內(nèi)燃機(jī)的小型氣化裝置得到廣泛使用。20世紀(jì)五六十年代，煤炭和石油等化石能源的廣泛應(yīng)用，使能源短缺問題得到暫時(shí)性的緩解。由于生物質(zhì)氣化技術(shù)的不完善和利用率低等原因，生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用產(chǎn)生了延滯。20世紀(jì)70年代，受石油危機(jī)的影響，世界各國再一次深該認(rèn)識(shí)到化石能源的不可再生性，重新開始了對(duì)生物質(zhì)能源的開發(fā)和研究。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美等國的生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了很大的成就。生物質(zhì)氣化設(shè)備規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝較復(fù)雜，主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主，目前開發(fā)了多系列已達(dá)到示范工廠和商業(yè)應(yīng)用規(guī)模的氣化爐(見表1)。

　　生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先世界水平的國家有瑞典、丹麥、奧地利、德國、美國和加拿大等。瑞典和丹麥正在實(shí)行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時(shí)滿足供熱的需求，可以大幅度提高其轉(zhuǎn)換效率。美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位。目前，美國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)10500MW，70%為生物質(zhì)—煤混合燃燒氣化技術(shù)，單機(jī)容量30～100MW，發(fā)電成本3～6美分/(kW·h)，預(yù)計(jì)到2015年美國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)16300MW。美國在生物質(zhì)氣化合成乙醇方面取得了很大的成就。歐盟國家在生物質(zhì)氣化合成柴油方面取得了很大的成就。2004年歐盟國家的生物質(zhì)氣化合成柴油的產(chǎn)量達(dá)到224萬t，德國是歐盟最大的生物質(zhì)氣化合成柴油生產(chǎn)國，2004年的生產(chǎn)能力達(dá)到了109．7萬t。

　　2．2我國生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況

　　我國對(duì)生物質(zhì)氣化研究起步較晚，始于20世紀(jì)80年代。經(jīng)過近30年的努力我國生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，我國自行研制的集中供氣、發(fā)電、戶用氣化爐等產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，形成了多個(gè)系列的氣化爐(如表2所示)，可滿足多種物料的氣化要求，在生活用能、發(fā)電、供暖等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但其容量多是小型的，大容量的氣化設(shè)備仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

　　在供氣、供暖方面：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院研制的ND系列和錐形流化床、山東科學(xué)院能源研究所研制的XFL系列、廣州能源所研制的的GSQ系列固定床氣化爐在戶用、集中供氣和供熱等方面取得了一定的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)氣化發(fā)電方面：80年代初期，我國自主研制了由固定床氣化器和內(nèi)燃機(jī)組成的200kW稻殼發(fā)電機(jī)組并得到推廣；中國農(nóng)機(jī)院、中國林科院分別在河北、安徽建立了400kW氣化發(fā)電機(jī)組；勝利油田動(dòng)力機(jī)械有限公司成功研制了功率190kW的180GF－RFm型秸稈氣發(fā)電機(jī)組；廣州能源所以木屑和木粉為原料應(yīng)用循環(huán)流化床氣化技術(shù)，完成發(fā)電能力為4MW的氣化發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)。在合成液體燃料方面也取得一定成就，廣州能源所已成功研制了合成柴油中試裝置和年產(chǎn)百噸級(jí)生物質(zhì)氣化合成DME的中試裝置。

　　3氣化爐發(fā)展現(xiàn)狀

　　氣化爐是生物質(zhì)氣化系統(tǒng)中的核心設(shè)備，生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成合成氣。生物質(zhì)氣化爐可以分為固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐(EF)及等離子體氣化爐(Plasma)等類型。

　　3．1固定床氣化爐

　　固定床氣化爐中氣化反應(yīng)是在一個(gè)相對(duì)靜止的物料床層中進(jìn)行，即物料相對(duì)于氣流來說，是處于靜止?fàn)顟B(tài)。物料在爐內(nèi)基本上是有層次的分為四個(gè)階段，即干燥階段、熱解階段、燃燒階段、還原階段。固定床氣化爐的爐內(nèi)反應(yīng)速度較慢。根據(jù)爐內(nèi)氣化劑的流動(dòng)方向，可將固定床氣化爐分為四類：上吸式、下吸式、橫吸式和開心式。固定床氣化爐的優(yōu)點(diǎn)：氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠、操作比較容易，對(duì)原料的種類及粒度要求不高。缺點(diǎn)：固定床氣化爐通常產(chǎn)氣量比較小，多用于小型氣化站、小型熱電聯(lián)產(chǎn)或戶用供氣，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。

　　3．2流化床氣化爐

　　顆粒狀的物料被送入爐內(nèi)，并摻有精選的惰性材料(砂子和橄欖石等)作為流化床材料，在爐體底部以較大壓力通入氣化劑，使?fàn)t內(nèi)呈沸騰、鼓泡等不同狀態(tài)，物料和氣化劑充分接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)。按氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過程，可將流化床氣化爐分為：鼓泡流化床(BFB)、循環(huán)流化床(CFB)及雙流化床(Dual)(各氣化爐的技術(shù)指標(biāo)見表3)。流化床氣化爐的優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定均勻；使用燃料顆粒很細(xì)小，傳熱面積大；氣化效率高；適用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，適合大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

　　3．3氣流床氣化爐(EF)

　　已被粉碎的原料和被加壓的氣化劑(氧氣或水蒸氣)從塔頂同時(shí)進(jìn)入氣化爐。塔頂部的湍流火焰燃燒部分原料，為整個(gè)氣化過程提供足夠的熱量，氣化爐內(nèi)的溫度達(dá)到1300℃。氣流床的特點(diǎn)：合成氣出爐的溫度可達(dá)1300℃，大部分焦油可在半焦氣化過程中裂化，出爐的合成氣中幾乎不含焦油；氣化爐壁上的灰融物可當(dāng)作熔渣除去。

　　3．4等離子體氣化爐

　　原料從塔頂進(jìn)入氣化爐，接觸到常壓、溫度為500～1500℃的由電生成的等離子體后，原料中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的合成氣，無機(jī)物變成玻璃化的惰性熔渣。這種爐的氣化效率很高，得到不含焦油的合成氣。等離子弧也可以用于凈化合成氣。

　　氣化爐是氣化過程的最關(guān)鍵設(shè)備，選擇用于生產(chǎn)液體燃料的生物質(zhì)氣化爐時(shí)需要從五個(gè)方面進(jìn)行考慮：對(duì)原料的要求、生產(chǎn)合成氣的質(zhì)量、研發(fā)狀態(tài)和操作經(jīng)驗(yàn)、規(guī)模放大的潛力、成本。綜合分析可用于合成液體燃料氣化爐的性能比較如表3所示。常用的生物質(zhì)大規(guī)模氣化制合成氣的氣化爐主要有BCL(Battelle)雙流化床氣化爐和ITG(Institute of Gas Technology)鼓泡流化床氣化爐，還有CHOREN公司新開發(fā)的Carbo－V氣流床氣化爐。

　　BCL氣化爐是常壓、間接加熱的雙流化床氣化爐，氣化反應(yīng)以深度熱解為主。氣化爐由流化床氣化反應(yīng)器和半焦燃燒室組成。經(jīng)過干燥的生物質(zhì)原料從氣化反應(yīng)器下部進(jìn)入，從底部通入蒸汽作氣化介質(zhì)，蒸汽與木材比(質(zhì)量比)為0．4。使用合成橄欖石作為流化介質(zhì)和熱載體，在氣化反應(yīng)器和半焦燃燒器之間循環(huán)。

　　IGT氣化爐是吹氧式、高壓鼓泡流化床氣化爐，因反應(yīng)氣體中含氧高，燃燒部分生物質(zhì)提供熱量，不需另加入能量；如果改用空氣送氧，生成氣中還含一定量的氮?dú)?。IGT壓力氣化爐在提高蒸汽用量后，可按“最大氫氣量”模式操作，IGT壓力氣化爐生產(chǎn)的合成氣含CO2較高(30%～35%，干基)。合成氣中的甲烷組分可經(jīng)過重整生成氫氣，也可直接用作透平燃料；生成氣的H2/CO=1．4/1。

　　Carbo－V氣流床氣化爐經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)原料首先在回轉(zhuǎn)式氣化爐中進(jìn)行低溫氣化，生成可燃?xì)夂徒固拷M分。含焦油的可燃?xì)怏w經(jīng)過燒嘴進(jìn)入Carbo－V高溫氣化爐，從爐頂送入預(yù)熱的空氣/氧氣。

　　低溫氣化生成的焦炭也送入Carbo－V高溫氣化爐中部，最終生成不含焦油的合成氣。Carbo－V氣化爐的優(yōu)點(diǎn)：合成氣中不含焦油，無需采用催化凈化處理；氣化效率較高，達(dá)到80%以上；合成氣可用作發(fā)電燃料，發(fā)電效率可達(dá)40%；原料來源廣泛，可加工各種干燥后的含碳原料；可將灰分轉(zhuǎn)化為適用于建筑材料的熔渣顆粒；合成氣中的氫含量高，每千克原料產(chǎn)氫1．2m3。2008年在德國建立了年產(chǎn)合成柴油15000t的商業(yè)工廠，我國也在2008年引進(jìn)該技術(shù)建立了以煤為原料的25000MW的發(fā)電廠。

　　4結(jié)束語

　　經(jīng)過了30年的研究和開發(fā)，我國的生物質(zhì)氣化技術(shù)在集中供氣、供熱、發(fā)電方面進(jìn)入到示范應(yīng)用研究階段，

　　并探索了生物質(zhì)氣化合成液體燃料、制氫的技術(shù)；但是和歐美等發(fā)達(dá)國家相比我國的氣化技術(shù)還有很大的差距。在氣化技術(shù)方面還存在許多問題：規(guī)模小、氣化效率低、合成氣熱值低、焦油含量較高、經(jīng)濟(jì)效率低等問題。

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及未來發(fā)展方向主要包括：大力開發(fā)氣化效率高、產(chǎn)氣熱值高的氣化爐技術(shù)；開發(fā)新的焦油脫除技術(shù)，降低合成氣中的焦油含量；流化床氣化爐具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和放大的潛力，流化床氣化爐技術(shù)為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向；開發(fā)規(guī)模較大的流化床氣化爐技術(shù)，為以后大規(guī)模的生物質(zhì)氣化合成液體燃料提供基礎(chǔ)。